第三章-土的渗透性及渗流

第三章土的渗透性及渗流3.1概述3.2土的渗透性3.3土中二维渗流及流网3.4渗透破坏与控制仁者乐山智者乐水§3.1概述土体中的渗流土颗粒土中水渗流土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性仁者乐山智者乐水透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流§3.1概述-渗流问题防渗体坝体浸润线渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗透力？工程实例仁者乐山智者乐水板桩围护下的基坑渗流§3.1概述-渗流问题渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗水压力？透水层不透水层基坑板桩墙工程实例仁者乐山智者乐水渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？透水层不透水层天然水面水井渗流Q§3.1概述-渗流问题仁者乐山智者乐水渗流问题：1.渗流量？2.地下水影响范围？渠道、河流渗流§3.1概述-渗流问题原地下水位渗流时地下水位仁者乐山智者乐水§3.1概述-渗流问题降雨入渗引起的滑坡渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？事故实例仁者乐山智者乐水•渗流量•扬压力•渗水压力•渗透破坏•渗流速度•渗水面位置•挡水建筑物•集水建筑物•引水结构物•基础工程•地下工程•边坡工程渗透特性变形特性强度特性土的渗透特性§3.1概述-土渗流特性3.2土的渗透性一、渗流基本概念二、土的层流渗透定律三、渗透试验及渗透系数仁者乐山智者乐水位置势能：mgzwumg压力势能：00基准面质量m压力u流速vzwu动能：2mv212wmv21umgmgzE总能量：2gvuzh2w称为总水头，是水流动的驱动力单位重量水流的能量：§3.2土的渗透性-基本概念水流动的驱动力-水头仁者乐山智者乐水渗流中的水头与水力坡降§3.2土的渗流性与渗透规律ABL透水层不透水层基坑板桩墙渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程仁者乐山智者乐水§3.2土的渗流性与渗透规律ABLhAzAwAu基准面g2vuzh2wwuzh总水头：单位重量水体所具有的能量位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力）流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）渗流的总水头：渗流问题的水头也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处仁者乐山智者乐水wBBBuzh•A点总水头：§3.2土的渗流性与渗透规律水力坡降ABLhAhBzAwAuwBuzBΔh基准面水力坡降线wAAAuzh•B点总水头：•二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失BAhhh•水力梯度i：单位渗流长度上的水头损失Lhi仁者乐山智者乐水达西渗透试验§3.2土的渗透性-渗透定律LAh1h2QQ透水石1856年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验LhAQ或：iAkQ其中，A是试样的断面积仁者乐山智者乐水ikAQv达西定律达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力梯度i的一次方成正比，并与土的性质有关渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度nvvvs其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速§3.2土的渗透性-渗透定律仁者乐山智者乐水达西定律的适用范围适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断：00.51.01.52.02.5达西定律适用范围2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)h10dvReRe＜5时层流Re＞200时紊流200＞Re＞5时为过渡区§3.2土的渗透性-渗透定律仁者乐山智者乐水达西定律的适用范围§3.2土的渗透性-渗透定律适用范围：砂质土体(a)细粒土的v-i关系(b)粗粒土的v-i关系①砂土、一般粘土；②颗粒极细的粘土仁者乐山智者乐水渗透系数的测定方法•常水头试验法•变水头试验法•井孔抽水试验•井孔注水试验室内试验方法野外试验方法§3.2土的渗透性-实验方法仁者乐山智者乐水是土中孔隙直径大小的主要影响因素因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：210dck土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构渗透系数的影响因素§3.2土的渗透性-渗透系数影响因素仁者乐山智者乐水是单位土体中孔隙体积的直接度量对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：)e1e(fk)e1e(fk)e(fk322渗透系数的影响因素土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构§3.2土的渗透性-渗透系数影响因素仁者乐山智者乐水对粘性土，影响颗粒的表面力不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石蒙脱石；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数渗透系数的影响因素土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构§3.2土的渗透性-渗透系数影响因素仁者乐山智者乐水影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得k水平﹥k垂直在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性渗透系数的影响因素土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构§3.2土的渗透性-渗透系数影响因素仁者乐山智者乐水含水量wWop干容重dmax1含水量w渗透系数k絮状结构分散结构渗透系数的影响因素土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构§3.2土的渗透性-渗透系数影响因素仁者乐山智者乐水渗透系数的影响因素水的动力粘滞系数：温度，水粘滞性，k饱和度（含气量）：封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构§3.2土的渗透性-渗透系数影响因素3.4渗透破坏与控制一、渗流力二、流砂或流土现象三、管涌和潜蚀现象仁者乐山智者乐水§3.4渗透力与渗透变形渗透力-试验观察Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。Δh0水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生渗流作用力。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致仁者乐山智者乐水§3.4渗透力与渗透变形渗透力-试验观察h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab土粒渗流渗透力j：体积力渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗流作用力仁者乐山智者乐水截面积A=1§3.4渗透力与渗透变形h200hwL土样滤网贮水器ab渗透力-受力分析WW=Lsat＝L(+w)P1=whwP2=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whwR=L土水整体受力分析-静水仁者乐山智者乐水§3.4渗透力与渗透变形渗透力-受力分析截面积A=1WW=Lsat＝L(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whwR=L-wh土水整体受力分析-渗流h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab仁者乐山智者乐水§3.4渗透力与渗透变形渗透力-受力分析R=L-wh土水整体受力分析-对比h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab•静水中的土体•渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少R=L减少的部分由谁承担？总渗透力：J=wh渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗流的作用力j=J/V=wh/L=wi仁者乐山智者乐水向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零时的水力坡降称为临界水力梯度icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力梯度：§3.4渗透力与渗透变形渗透力-受力分析渗透力-受力分析R=L-wh=0临界水力梯度h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abicr=h/L=/we11Gws)(e11Giscr由于icr取决于土的物理性质仁者乐山智者乐水=+WWWw土水=土骨架+孔隙水JRJP1P2P1P2R土水隔离受力分析§3.4渗透力与渗透变形渗透力-受力分析渗透力-受力分析R=L-wh•土骨架受力分析：有效重量：W=L总渗透力：J=Lj滤网的反力：R•孔隙水受力分析：水压力：P1=whwP2=wh1总渗透力：J=J水重+浮力反力：Ww=Vvw+Vsw=Lw孔隙水受力平衡j=wi土骨架受力平衡仁者乐山智者乐水渗透力的性质物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的作用力，它是一种体积力大小：j=wi方向：与水力坡降方向一致作用对象：土骨架§3.4渗透力与渗透变形仁者乐山智者乐水§3.4渗透力与渗透变形土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型基本类型：•管涌•流土•接触流土•接触冲刷渗透变形单一土层渗透变形的两种基本型式仁者乐山智者乐水§3.4渗透力与渗透变形渗透变形-流土流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土k1k2砂性土k2坝体渗流criie11Giscr原因：与土的密实度有关仁者乐山智者乐水坝体§2.4渗透力与渗透变形渗透变形–管涌原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道渗流过程演示1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷仁者乐山智者乐水§3.4渗透力与渗透变形流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口仁者乐山智者乐水§3.4渗透力与渗透变形scrFiiiFs:安全系数1.5~2.0[i]:允许坡降iicr:土体处于稳定状态i=icr:土体处于临界状态iicr:土体发生流土破坏工程设计：流土可能性的判别在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：仁者乐山智者乐水§3.4渗透力与渗透变形土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件管涌可能性的判别仁者乐山智者乐水§3.4渗透力与渗透变形较均匀土（Cu10）•几何条件•水力条件无粘性土管涌的判别级配孔隙及细粒判定非管涌土粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒不均匀土（Cu10）不连续连续d0=0.25d20细粒含量35%细粒含量25%细粒含量=25-35%d0d3d0d5d0=d3-d5管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土P(%)lgd骨架充填料发生管涌的必要条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径仁者乐山智者乐水§3.4渗透力与渗透